歐陽晶 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院講師

彭俊峰 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院

王豐倉 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院城軌工程學(xué)院副教授

梅 華 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院講師

隧道工程在施工和運(yùn)營(yíng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種病害問題，這些病害的產(chǎn)生大多與地質(zhì)情況和隧道施工過程有一定的關(guān)系[1]。對(duì)于隧道病害，一般需要通過監(jiān)測(cè)找出病害產(chǎn)生的原因，然后采取針對(duì)性的措施?，F(xiàn)有的病害檢測(cè)方法多為鉆孔及人工觀察等，存在效率低下、容易破壞隧道的整體結(jié)構(gòu)等問題。雖然利用無損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)λ淼啦『M(jìn)行檢測(cè)，但是由于病害產(chǎn)生的原因各不相同，也無法進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。建筑信息模型（Bui1ding Information Mode1ing，BIM）具有三維可視化等特點(diǎn)，可應(yīng)用在隧道工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中。

1 隧道病害的類型及形成原因

1.1 隧道病害的類型

山嶺隧道形成病害類型較多，如襯砌裂縫、滲漏水、掉塊、排水管堵塞等，其中滲漏水和襯砌裂縫病害在多數(shù)隧道中均有發(fā)生[2]。雖然滲漏水和襯砌裂縫病害表面看影響較小，但實(shí)際對(duì)隧道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的危害，甚至?xí)绊懰淼赖恼Ｊ褂?。滲漏水會(huì)對(duì)襯砌混凝土的耐久性產(chǎn)生較大的影響，冬季也會(huì)結(jié)冰導(dǎo)致襯砌凍脹，滲水流到路面也會(huì)影響過往車輛的安全行駛。襯砌裂縫貫穿時(shí)可能會(huì)造成較大的滲漏水，對(duì)襯砌的承載能力會(huì)產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生襯砌掉塊現(xiàn)象。

1.2 隧道病害產(chǎn)生的原因

1.2.1 襯砌裂縫

隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的原因較多，主要有外部荷載因素、勘察設(shè)計(jì)及施工因素等。隧道結(jié)構(gòu)受到來自外部各類荷載、結(jié)構(gòu)自身次應(yīng)力等作用，如圍巖自承能力較差、圍巖偏壓較大等都會(huì)產(chǎn)生很多裂縫?？辈煸O(shè)計(jì)階段對(duì)圍巖級(jí)別的劃分不夠準(zhǔn)確，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際圍巖級(jí)別不匹配，襯砌承載能力不夠[3]。施工階段經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的超欠挖情況、初期支護(hù)施作時(shí)間不合適、混凝土等級(jí)不夠等施工質(zhì)量問題，都會(huì)導(dǎo)致裂縫。另外，受隧道內(nèi)部溫度、濕度等混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)境與外部因素的影響，混凝土易變形，控制不好容易產(chǎn)生襯砌結(jié)構(gòu)裂縫問題。

1.2.2 隧道滲漏水

隧道滲漏水病害產(chǎn)生的原因較多，主要有工程地質(zhì)條件、工程設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量等方面。大多數(shù)隧道結(jié)構(gòu)所處的圍巖及地質(zhì)條件比較復(fù)雜，施工過程中的地應(yīng)力釋放、支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力及地下水壓力的變化等，都會(huì)導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂縫，在地下水賦存區(qū)域產(chǎn)生隧道滲漏水問題。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度不夠，結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級(jí)不夠，襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，加上圍巖地質(zhì)條件較差，都會(huì)導(dǎo)致隧道滲漏水問題[4]。

2 隧道BIM 模型構(gòu)建方法

2.1 隧道BIM 建模難點(diǎn)

雖然BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用日漸成熟，在隧道工程設(shè)計(jì)及施工階段也有較多應(yīng)用實(shí)例，但是仍然存在很多問題有待解決。隧道工程呈長(zhǎng)條狀分布，這與一般建筑行業(yè)的點(diǎn)狀或塊狀區(qū)域集中分布不同，對(duì)于傳統(tǒng)的建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完整建模的效率較低。隧道工程受其獨(dú)特且多變的工程建設(shè)環(huán)境影響，與其他工程相比，與工程地質(zhì)的關(guān)系更為密切，地質(zhì)資料更復(fù)雜，提高了BIM 建模的難度。隧道工程受制于多變的工程地質(zhì)條件，存在不同程度的超欠挖問題，而BIM 的規(guī)則模塊建模并不能完全反映隧道工程的實(shí)際工程情況，這也是阻礙BIM 技術(shù)在隧道工程中運(yùn)用的重要原因。

受施工信息采集和反饋分析技術(shù)的限制，信息化設(shè)計(jì)施工并未在隧道工程實(shí)踐中得到有效實(shí)施。例如，隧道掌子面的地質(zhì)信息及其他施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、實(shí)際支護(hù)狀況等，不能快速反饋至設(shè)計(jì)和業(yè)主單位，并據(jù)此進(jìn)行參數(shù)修正，使實(shí)際采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能滿足承載要求，導(dǎo)致一些隧道在支護(hù)后出現(xiàn)裂損、變形和坍塌，影響施工質(zhì)量和安全。隧道圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，必須依賴詳細(xì)的施工數(shù)據(jù)和大量可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如何快速、準(zhǔn)確地獲取這些數(shù)據(jù)，是實(shí)施全壽命建養(yǎng)管理的基本前提[5]。結(jié)構(gòu)信息和施工運(yùn)維信息的科學(xué)管理，既是提高數(shù)據(jù)運(yùn)行效率的重要保障，也是快速開展安全狀態(tài)評(píng)價(jià)和科學(xué)決策工作的重要前提，因此實(shí)現(xiàn)施工和運(yùn)維信息在BIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合，是實(shí)施全壽命建養(yǎng)管理的關(guān)鍵途徑[6]。

2.2 隧道BIM 建模方法

隧道BIM 建模思路如圖1 所示。

圖1 隧道BIM 建模思路

首先，對(duì)隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和空間特征進(jìn)行分析，確定隧道的各個(gè)組成要素，以此建立隧道的三維空間結(jié)構(gòu)模型。

其次，分析將平面的結(jié)構(gòu)要素投射到三維空間模型的原理和方法，分析隧道病害的基礎(chǔ)參數(shù)，并將隧道病害要素映射到隧道三維空間結(jié)構(gòu)模型中，實(shí)現(xiàn)隧道病害的三維化展示。

最后，對(duì)搭載的隧道病害信息賦予相應(yīng)的病害量化參數(shù)，并采用二次開發(fā)程序?qū)λ淼啦『π畔⑦M(jìn)行自動(dòng)分類、計(jì)算、評(píng)定等操作，以便對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)分析與評(píng)定[7]。

隧道病害信息的三維可視化實(shí)現(xiàn)，可以采用Revit 軟件的二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。例如，通過Revit API 開發(fā)插件控制模型里面的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道病害空間曲線的批量生成。

3 隧道BIM 信息模型體系

根據(jù)隧道施工過程和運(yùn)營(yíng)階段的特點(diǎn)，基于隧道病害三維可視化及病害追蹤管理的需要，制定隧道BIM 信息模型體系，主要包括隧道開挖輪廓BIM 模型、初期支護(hù)BIM 模型和二次襯砌BIM 模型，如表1 所示[8]。

表1 隧道BIM 信息模型體系

3.1 建立隧道開挖輪廓BIM 模型

隧道開挖后、初期支護(hù)前，通過收集隧道開挖的超欠挖輪廓數(shù)據(jù)，快速建立隧道開挖輪廓的BIM 模型，根據(jù)收集的地質(zhì)和地下水信息將其載入BIM 模型中。隧道開挖輪廓超欠挖數(shù)據(jù)可以采用三維激光進(jìn)行掃描，一般在隧道每開挖一個(gè)循環(huán)未支護(hù)前快速收集數(shù)據(jù)。地質(zhì)和地下水信息由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行收集，在完成每次循環(huán)開挖后，通過地質(zhì)素描記錄描述相關(guān)信息的獲取過程。

3.2 建立初期支護(hù)BIM 模型

在初期支護(hù)完成后，通過收集的初期支護(hù)變形數(shù)據(jù)建立隧道初期支護(hù)BIM 模型，并將初期支護(hù)參數(shù)、裂縫、滲漏水等信息數(shù)據(jù)載入BIM 模型中。隧道初期支護(hù)變形數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取，裂縫、滲漏水等信息由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員收集。根據(jù)完成初期支護(hù)到開始二次襯砌施工的時(shí)間，進(jìn)行一次或多少監(jiān)測(cè)，如果變形、裂縫、滲漏水等沒有明顯變化則采用一次收集的數(shù)據(jù)，如果變化比較大則采用多次收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM 模型中。

3.3 建立二次襯砌BIM 模型

在完成澆筑后，根據(jù)收集的二次襯砌輪廓信息建立相應(yīng)的隧道二次襯砌BIM 模型，并將收集的襯砌支護(hù)參數(shù)、變形、裂縫、滲漏水等信息載入BIM 模型中。隧道二次襯砌變形數(shù)據(jù)在隧道施工過程中由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員定期獲取，在隧道竣工運(yùn)營(yíng)階段可以采用遠(yuǎn)程無人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)頻率可根據(jù)隧道的變形量大小確定。隧道裂縫、滲漏水等病害可通過定期人工或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)獲取。

4 基于BIM 模型的隧道病害的追蹤管理

4.1 襯砌裂縫追蹤管理

根據(jù)獲取的超欠挖和地質(zhì)情況信息模型，查找襯砌裂縫的產(chǎn)生原因，分析裂縫發(fā)展的一般規(guī)律，采取不同的處理方法。對(duì)于受到歷史應(yīng)力或非應(yīng)力原因造成的，位于結(jié)構(gòu)表面部分已經(jīng)趨向于穩(wěn)定、不再有發(fā)展的襯砌裂縫，采用封堵的方式，如裂縫表面處理、裂縫注漿等方法。對(duì)于受到圍巖地質(zhì)條件影響較大、襯砌結(jié)構(gòu)持續(xù)受力而出現(xiàn)增寬增長(zhǎng)趨勢(shì)的襯砌裂縫，可采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的方式進(jìn)行處理。當(dāng)襯砌裂縫位于水壓較大處，應(yīng)先采取措施降低隧道襯砌外側(cè)的水壓，然后采取強(qiáng)力結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行處治。對(duì)于隧道施工過程中超欠挖嚴(yán)重，導(dǎo)致圍巖對(duì)隧道襯砌局部應(yīng)力過大產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)先對(duì)超欠挖進(jìn)行處理。不同襯砌裂縫產(chǎn)生的原因及治理方法如表2 所示。

表2 不同襯砌裂縫產(chǎn)生的原因及治理方法

4.2 滲漏水病害追蹤管理

第一，利用BIM 信息模型系統(tǒng)對(duì)隧道滲漏水病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并采用對(duì)應(yīng)的方法進(jìn)行處理。第二，針對(duì)不同的滲漏水形式，結(jié)合數(shù)據(jù)及圖像信息分析滲漏現(xiàn)狀及發(fā)展情況，采取填充或噴漿等處理方法，如果滲漏水情況非常嚴(yán)重，可以考慮拆除部分襯砌，然后采用部分抗?jié)B等級(jí)更高的襯砌結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

近年來，BIM 在隧道工程方面多運(yùn)用于設(shè)計(jì)過程中，而對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)階段的相關(guān)研究與應(yīng)用還較少。本文詳細(xì)分析了隧道中常見的襯砌裂縫、滲漏水等病害的特點(diǎn)和原因，并提出了隧道BIM 信息模型建立思路和病害三維可視化實(shí)現(xiàn)方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。